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SiC材料及SiC基MOS器件理论研究

作　者: 戴振清
导　师: 杨克武；杨瑞霞
学　校: 河北工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: SiC 激发态基态施主能级分裂 MOS器件反型层电荷 C-V特性迁移率表面势
分类号: TN386
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

SiC以其优异的材料特性,在高温、大功率和抗辐射器件电子学应用方面显示出明显的优势。另外,在化合物半导体中唯有SiC存在本征氧化物SiO2,因此SiC基MOSFET的研究引起高度关注和极大兴趣。本文主要围绕SiC材料和SiC基MOS器件开展了系列研究。在p型SiC中杂质激发态的影响很大,但目前这方面的研究还很少。本文集中研究了激发态对杂质电离、n-MOSFET反型层电荷和MOS电容的影响。激发态的影响与温度、掺杂浓度以及杂质能级深度存在密切的关系。在杂质激发态的作用下,n-MOSFET的反型层电荷面密度降低,激发态主要影响亚阈值区。对于MOS电容的C-V特性曲线,其在平带附近的Kink效应因激发态的影响而减弱,且曲线产生一小的平移。在SiC中存在显著的基态施主能级分裂现象,但目前的电子分布函数并不包含能级分裂因素。在本文中,通过引进基态施主分裂能级的平均能量增量和平均配分函数,得到了包含此因素的分布函数。并研究了在不同条件下基态施主能级分裂对杂质电离、p-MOSFET反型层电荷和MOS电容的影响。在基态施主能级分裂的作用下,p-MOSFET的反型层电荷面密度降低,MOS电容C-V特性曲线平带附近的Kink效应被减弱。为了使电路设计师能够充分利用SiC基MOSFET的优势,必须构建精确有效的器件集约模型(compact model)。在集约模型的构建过程中,高温沟道电子迁移率模型的建立至关重要。本文在考虑到各种现有因素并引进新因素的条件下,建立了比较合理的高温沟道迁移率模型。同时,在这部分中提出了采用与温度—阈值电压实验曲线拟合,来确定界面态参数和固定氧物电荷的新方法。表面势基MOSFET的集约模型中,表面势的显性表达式占有重要地位。目前已有的Si基MOSFET的表面势显性式,没有考虑界面陷阱电荷并认为杂质完全电离,因此它不适用于SiC基MOSFET。本文在Si基MOSFET的表面势显性表达式的基础上,并考虑到杂质不完全电离和界面态这两种因素,推导出了适用于SiC基MOSFET的从积累到强反型区的表面势显性表达式。总之,本文围绕SiC材料和SiC基MOS器件主要进行了四个方面的研究,其中重点研究了MOS器件。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-20
  §1-1 SiC 的历史  9-10
  §1-2 SiC 的品质因数  10-11
  §1-3 SiC 的性质  11-15
    1-3-1 宽带隙  11
    1-3-2 高击穿电场  11-14
    1-3-3 高饱和漂移速度  14
    1-3-4 高热导率  14-15
    1-3-5 热氧化  15
    1-3-6 其他性质  15
  §1-4 SiC 的结构  15-17
    1-4-1 基本结构  15-16
    1-4-2 多形体  16-17
  §1-5 SiC 中的杂质能级  17-19
  §1-6 论文的主要研究内容  19-20
第二章 p 型 SiC 中杂质激发态的影响  20-42
  §2-1 考虑到激发态的分布函数  20-21
  §2-2 激发态对杂质电离的影响  21-26
    2-2-1 电离度及其相对增加量  21-22
    2-2-2 激发态对杂质电离的影响  22-26
  §2-3 引入激发态因素的SiC 基n-MOSFET 的反型层电荷模型  26-35
    2-3-1 泊松方程及表面电荷  27-28
    2-3-2 反型层电荷模型  28-35
    2-3-3 最大温度点与掺杂浓度和杂质能级深度的关系  35
  §2-4 激发态对SiC 基MOS 电容的影响  35-41
    2-4-1 理论背景  35-36
    2-4-2 结果和讨论  36-41
  §2-5 本章小结  41-42
第三章 n 型 SiC 中基态施主能级分裂的影响  42-69
  §3-1 适用于基态施主能级分裂的电子分布函数  42-52
    3-1-1 分布函数的理论考虑  42-47
    3-1-2 讨论  47-50
    3-1-3 理论分析  50-52
  §3-2 基态施主能级分裂对杂质电离的影响  52-56
    3-2-1 能级分裂的影响与温度和掺杂浓度关系  53-55
    3-2-2 能级分裂的影响与杂质能级深度的关系  55-56
  §3-3 引入基态施主能级分裂因素的 SiC 基p-MOSFET 的反型层电荷模型  56-63
    3-3-1 泊松方程及表面电荷  57-58
    3-3-2 反型层电荷模型  58-63
  §3-4 基态施主能级分裂对 MOS 电容的影响  63-67
    3-4-1 能级分裂的影响与栅电压、掺杂浓度和温度的关系  63-66
    3-4-2 能级分裂的影响与杂质能级深度的关系  66-67
  §3-5 本章小结  67-69
第四章用于电路模拟的 SiC 基 MOSFET 高温沟道电子迁移率模型  69-76
  §4-1 迁移率模型  69-72
    4-1-1 体迁移率  69-70
    4-1-2 库仑迁移率  70-71
    4-1-3 表面粗糙散射  71
    4-1-4 表面声子散射  71-72
    4-1-5 高场迁移率  72
  §4-2 界面陷阱电荷  72-74
    4-2-1 界面态模型  72-73
    4-2-2 界面态参数和固定氧化物电荷的提取方法  73-74
  §4-3 模拟和分析  74-75
    4-3-1 提取界面态参数和固定氧化物电荷  74
    4-3-2 迁移率模型参数提取及模型验证  74-75
  §4-4 本章小结  75-76
第五章 SiC 基 MOSFET 表面势的显性表达式  76-96
  §5-1 表面势的隐性表达式  76-78
    5-1-1 表面电荷计算  76-77
    5-1-2 界面陷阱电荷计算  77-78
    5-1-3 计算表面势  78
  §5-2 表面势的显性表达式  78-86
    5-2-1 表面电场计算  78-79
    5-2-2 计算表面势  79-86
  §5-3 表面势显性表达式的修正  86-95
    5-3-1 初步修正  86-89
    5-3-2 进一步修正  89-95
  §5-4 本章小结  95-96
第六章结论  96-97
参考文献  97-105
致谢  105-106
攻读学位期间所取得的相关科研成果  106

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